自上次成功救回巴斯光年之后，牛仔伍迪与玩具伙伴们在小主人安迪的家中度过了一段快乐温馨的时光。然而，在一次小主人前往夏令营时，伍迪因为老旧破损而被留在了家中。
意外的是，留在家中的伍迪被一名狂热的玩具收藏家相中，认定他是近代最具代表性的稀有收藏玩具。收藏家暗中将其偷走，并计划将伍迪与其他古董玩具一同安置在颇富盛名的当代文化博物馆内进行永久展览。
在主人家中，焦急的玩具们对伍迪的失踪感到万分担忧。于是，巴斯光年自告奋勇踏上寻找伍迪的救援之旅。历经波折，当伙伴们终于在展览馆中找到伍迪时，事情却发生了意想不到的转折——面对博物馆内作为藏品备受瞩目的生活，伍迪开始陷入了犹豫，他似乎不再愿意回去当一个平凡普通的玩具……
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